CN110920915B - 一种飞机燃油系统自适应热管理控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机燃油系统自适应热管理控制装置及方法，属于飞机综合一体化热/能量技术领域。该方法首先以燃油系统中换热器热边出口温度为控制目标，通过PID控制、模糊PID控制、改进的量子微粒群优化模糊PID控制，确定响应时间快，超调量较小的最优控制方法；其次，以飞机发动机实时耗油量为控制目标，在满足发动机耗油量前提下，尽量减少燃油作为热沉的消耗。研究通过MATLAB/Simulink仿真验证模型及算法。本发明所设计的燃油系统模型能够根据发动机耗油量，在满足换热器热边出口温度控制的前提下自适应调控阀门开度，合理分配燃油流向，做到燃油的高效循环使用。

Description

一种飞机燃油系统自适应热管理控制装置及方法

技术领域

本发明属于飞机综合一体化热/能量技术领域，特别是涉及一种飞机燃油系统自适应热管理控制装置及方法。

背景技术

飞机燃油系统是飞机系统中重要的一环，它不仅承担着燃油的储存和输运功能，而且作为热沉搬运和冷却其他子系统(如滑油系统、液压系统)工作时产生的热量，起到散热的作用。因此燃油系统可以看作两种系统的组合：供油系统和散热系统。

但是飞机在不同的飞行任务包线下飞行时，发动机所需的供油量和各子系统产生的热量是不同的，是随时间变换的。而且由于发动机进口燃油温度及各换热器热边出口温度的限制，需要对燃油系统各节点进行流量及温度的监控和控制传统的燃油热管理系统，并不具备实时调控燃油流量的能力，更多的是一种“粗犷式”控制，在燃油系统中，燃油以最大的流量流过各子系统进行散热后流向发动机燃烧。这种方式最大的弊端在于不能做到流量实时的调控，导致燃油的浪费，造成不必要的经济损失。因此，如何充分利用机载有限热沉实现能量的收集、传输和散热，以及如何根据飞机飞行状态的变化，自适应调节系统中燃油流量的分配，做到燃油的高效合理使用是现阶段面临的最大问题。综合一体化热/能量管理系统需结合系统自身的特点，寻求合理的控制策略,在满足系统能源需求的同时，实现节能减排。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种飞机燃油系统自适应热管理控制装置及方法，该方法从燃油流量控制的角度出发结合现有的控制算法策略，对传统系统进行了一定的改进，同时能够进行温度及流量的调节，满足发动机入口流量及温度要求。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种飞机燃油系统自适应热管理控制装置，包括依次通过油路管道连接的输油箱、输油泵P1、供油箱、电动泵P2、阀门X2、散热泵P3、阀门X3、燃油-滑油换热器HX3、阀门X5和发动机，所述阀门X3与供油箱之间还通过油路管道依次连接燃油-液压换热器HX2、空气-燃油换热器HX1和阀门X1，所述阀门X1和阀门X5之间的油路管道上设置有阀门X4，所述阀门X2和阀门X4通过油路管道连接，所述空气-燃油换热器HX1接入冲压空气，所述燃油-液压换热器HX2接入液压热负荷Q1，所述燃油-滑油换热器HX3接入液压热负荷Q2。

进一步的，所述输油箱和输油泵P1之间的油路管道上设置有阀门，所述供油箱和电动泵P2之间的油路管道上设置有阀门。

进一步的，所述阀门X1、阀门X2、阀门X3、阀门X4和阀门X5均为需要控制的控制阀门。

一种飞机燃油系统自适应热管理控制装置的控制方法，飞机燃油系统包括滑油子系统和液压子系统，所述滑油子系统包括燃油-滑油换热器HX3和滑油热负荷Q2，液压子系统包括燃油-液压换热器HX3和液压热负荷Q1，对应不同的飞行状态，经历起飞、爬升、返回的阶段，包括以下步骤：

S1、设置出需要控制的控制对象，控制量及执行机构，所述控制对象为换热器，换热器包括空气-燃油换热器HX1、燃油-液压换热器HX2、燃油-滑油换热器HX3，控制量为换热器的热边输入量，执行机构为控制阀门及散热泵P3和电动泵P2；

S2、设定换热器的热边温度的控制目标，控制换热器的冷边燃油流量；

S3、采用PID控制、模糊PID控制、改进的量子微粒群优化模糊PID控制分别对不同飞行状态下换热器的冷边燃油流量进行调控，确定响应时间快，超调量较小的最优控制方法。

进一步的，所述步骤S1中，热管理通过阀门X2和阀门X3控制温度；

进一步的，所述步骤S1中，燃油回路控制为协调换热器冷边冷却剂的需求量和发动机燃油量需求之间的关系，通过电动泵P2、阀门X1和阀门X2来控制，阀门X4和阀门X5控制燃油参混，控制进入发动机的燃油流量和温度，所述冷却剂为供油箱出口温度较低的燃油。

进一步的，所述步骤S2-S3中，换热器采用传递函数的方式建立数学模型，换热器的一阶滞后传递函数G(s)表示为：

其中：G(s)为换热器传递函数，e为自然常数，s不是参数，表示G这个函数是原函数经过拉普拉斯变换后的表达式。

进一步的，所述步骤S2-S3中，电动泵为燃油的流动提供动力，散热泵为辅助泵为散热系统提供动力，电动泵和散热泵均为增压泵，两种增压泵的计算模型：

△P＝1.2×10⁵-3.5×10⁶Q-1.6×10⁹Q² (2)

式中：△P为增压泵的增压值，单位为Pa；Q为泵输出的高压燃油流量，单位为m³/s；式(2)是通过增压泵工作性能的曲线数值拟合所得。

进一步的，所述步骤S2-S3中，空气-燃油换热器HX1的冲压空气物性，飞行器在飞行高度和飞行Ma数确定的情况下，冲压空气进入空气-燃油换热器HX1时的截面气流温度T满足以下关系式：

T＝T₀[1+Ma²×(k-1)/2] (4)

其中，H表示飞机飞行的海拔高度，T₀表示海拔高度为H时的来流静温，Ma为飞行马赫数，k表示空气的绝热指数，且k＝1.4。

进一步的，所述步骤S3包括以下步骤：

S301，设置为两输入、三输出的模糊控制器，在所述模糊控制器中，将偏差e和偏差变化ec作为输入变量，将三个参数K_p、K_i、K_d的ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d偏移量作为该控制器的输出变量，利用模糊规则在线对PID控制的三个参数K_p、K_i、K_d进行校正；

S302，以滑油换热器为例，将燃油-滑油换热器HX3的出口温度设定为60℃，检测出的出口滑油温度比设定高时，则表明热负荷增大，此时应该加大阀门X2及阀门X3开度，增加燃油流量，直到滑油出口温度达到设定值为止；

滑油的出口温度设为60℃，根据温度误差e变化论域为[-5，+5]，温度偏差变化率ec的变化论域取[-3，3]，输出变量ΔK_p的论域取为[-0.3，+0.3]，ΔK_i的论域取为[-0.06，+0.06]，ΔK_d的论域取为[-3，+3]；偏差变化量的模糊论域取为{-3，2.5，-2，-1.5，-1，-0.5，0，+0.5，+1，+1.5，+2，+2.5，+3}；另外的模糊变量的论域取为{-6，-5，-2，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}；对两个输入变量和三个输出变量均选取七个模糊子集：NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZE(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)；

温度偏差及偏差的变化率的量化因子分别用Ke、Kc表示，控制量的比例因子分别用Kup、Kui、Kud表示，则有Ke＝6/5＝1.2，Kc＝3/3＝1，Kup＝0.3/6＝0.05，Kui＝0.06/6＝0.01，Kud＝3/6＝0.5；设e、ec、ΔKp，ΔKi、ΔKd都是服从三角布的，便得到模糊子集相应的隶属度，在MATLAB模糊控制工具箱中进行设置后得各个隶属度函数的分布图；

S303，采用改进的量子微粒群算法来优化选取模糊控制算法中的量化因子参数，即ke、kec、kup、kui及kud 5个参数，其优化目标函数是使得模糊PID控制曲线超调量小，调节时间短，其数学表达式如下：

F_obj＝max[T′(t)-T(t),0]+ts (4)

式中，T′(t)和T(t)分别表示t时刻模糊PID控制所得温度与控制目标温度，每个微粒更新的位置X_i所对应的目标函数值F_obj(X_i)，T′(t)-T(t)表示t时刻的超调量；t_s表示调节时间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所设计的燃油系统模型能够根据发动机耗油量，在满足换热器热边出口温度控制的前提下自适应调控阀门开度，合理分配燃油流向，做到燃油的高效循环使用。

附图说明

图1为飞机综合热管理系统结构框图。

图2为飞机综合热管理系统逻辑框图。

图3为基于粒子群的模糊PID优化结构图。

图4为飞机综合热管理系统控制下发动机供油量对比。

图5为飞机综合热管理系统控制下阀门X1开度。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

根据飞机自适应燃油热管理系统的系统方案设计燃油热管理系统框图，如图1所示；本发明的主要目的在于：从燃油流量控制的角度出发结合现有的控制算法策略，对传统系统进行了一定的改进，同时能够进行温度及流量的调节，满足发动机入口流量及温度要求。

一种飞机燃油系统自适应热管理控制装置，包括依次通过油路管道连接的输油箱、输油泵P1、供油箱、电动泵P2、阀门X2、散热泵P3、阀门X3、燃油-滑油换热器HX3、阀门X5和发动机，所述阀门X3与供油箱之间还通过油路管道依次连接燃油-液压换热器HX2、空气-燃油换热器HX1和阀门X1，所述阀门X1和阀门X5之间的油路管道上设置有阀门X4，所述阀门X2和阀门X4通过油路管道连接，所述空气-燃油换热器HX1接入冲压空气，所述燃油-液压换热器HX2接入液压热负荷Q1，所述燃油-滑油换热器HX3接入液压热负荷Q2，所述输油箱和输油泵P1之间的油路管道上设置有阀门，所述供油箱和电动泵P2之间的油路管道上设置有阀门，所述阀门X1、阀门X2、阀门X3、阀门X4和阀门X5均为需要控制的控制阀门。

一种飞机燃油系统自适应热管理控制装置的控制方法，飞机燃油系统包括滑油子系统和液压子系统，所述滑油子系统包括燃油-滑油换热器HX3和滑油热负荷Q2，液压子系统包括燃油-液压换热器HX3和液压热负荷Q1，对应不同的飞行状态，经历起飞、爬升、返回的阶段，包括以下步骤：

S1、设置出需要控制的控制对象，控制量及执行机构，所述控制对象为换热器，换热器包括空气-燃油换热器HX1、燃油-液压换热器HX2、燃油-滑油换热器HX3，控制量为换热器的热边输入量，执行机构为控制阀门及散热泵P3和电动泵P2；具体地讲，热管理通过阀门X2和阀门X3控制温度；燃油回路控制的目的为协调换热器冷边冷却剂(供油箱出口温度较低的燃油)的需求量和发动机燃油量需求之间的关系，主要通过电动泵P2、阀门X1和阀门X2来控制，此外，要求进入发动机的燃油温度不能过高，并兼顾发动机在不同工作剖面下对燃油流量需求，因此需阀门X4和阀门X5实现燃油参混，即借助阀门X1和阀门X2的协助调控，使得进入发动机的燃油流量和温度得到进一步的控制。

S2、设定换热器的热边温度的控制目标，控制换热器的冷边燃油流量；

S3、采用PID控制、模糊PID控制、改进的量子微粒群优化模糊PID控制分别对不同飞行状态下换热器的冷边燃油流量进行调控，确定响应时间快，超调量较小的最优控制方法。

具体地讲，所述步骤S2-S3中，换热器采用传递函数的方式建立数学模型，以板式换热器为例建立换热器的一阶滞后传递函数G(s)表示为：

其中：G(s)为换热器传递函数，e为自然常数，s不是参数，表示G这个函数是原函数经过拉普拉斯变换后的表达式。

具体地讲，所述步骤S2-S3中，燃油系统中泵的种类主要有散热泵和电动泵两种，电动泵为燃油的流动提供动力，而散热泵为辅助泵为散热系统提供动力，电动泵和散热泵均为增压泵，两种增压泵的计算模型：

△P＝1.2×10⁵-3.5×10⁶Q-1.6×10⁹Q² (2)

式中：△P为增压泵的增压值，单位为Pa；Q为泵输出的高压燃油流量，单位为m³/s；式(2)是通过增压泵工作性能的曲线数值拟合所得。

具体地讲，所述步骤S2-S3中，空气-燃油换热器HX1的冲压空气物性，冲压空气主要受飞行海拔高度和飞行Ma数影响。因此，要对冲压空气的冷却能力进行分析和研究，就必须获得冲压空气在不同高度和不同Ma数下的温度情况。飞行器在飞行高度和飞行Ma数确定的情况下，冲压空气进入空气-燃油换热器HX1时的截面气流温度T满足以下关系式：

T＝T₀[1+Ma²×(k-1)/2] (4)

其中，H表示飞机飞行的海拔高度，T₀表示海拔高度为H时的来流静温，Ma为飞行马赫数，k表示空气的绝热指数，且k＝1.4。

具体地讲，所述步骤S3包括以下步骤：

S301，设置为两输入、三输出的模糊控制器，在所述模糊控制器中，将偏差e和偏差变化ec作为输入变量，将三个参数K_p、K_i、K_d的ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d偏移量作为该控制器的输出变量，利用模糊规则在线对PID控制的三个参数K_p、K_i、K_d进行校正；

S302，以滑油换热器为例，将燃油-滑油换热器HX3的出口温度设定为60℃，检测出的出口滑油温度比设定高时，则表明热负荷增大，此时应该加大阀门X2及阀门X3开度，增加燃油流量，直到滑油出口温度达到设定值为止；

滑油的出口温度设为60℃，根据温度误差e变化论域为[-5，+5]，温度偏差变化率ec的变化论域取[-3，3]，输出变量ΔK_p的论域取为[-0.3，+0.3]，ΔK_i的论域取为[-0.06，+0.06]，ΔK_d的论域取为[-3，+3]；偏差变化量的模糊论域取为{-3，2.5，-2，-1.5，-1，-0.5，0，+0.5，+1，+1.5，+2，+2.5，+3}；另外的模糊变量的论域取为{-6，-5，-2，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}；对两个输入变量和三个输出变量均选取七个模糊子集：NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZE(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)；

量化因子和比例因子与基本论域和模糊集合论域的选取有关，确定了基本论域和模糊集合论域后量化因子和比例因子也就确定了。如温度偏差及偏差的变化率的量化因子分别用Ke、Kc表示，控制量的比例因子分别用Kup、Kui、Kud表示，则有Ke＝6/5＝1.2，Kc＝3/3＝1，Kup＝0.3/6＝0.05，Kui＝0.06/6＝0.01，Kud＝3/6＝0.5；可以假设e、ec、ΔKp，ΔKi、ΔKd都是服从三角布的，便得到模糊子集相应的隶属度，在MATLAB模糊控制工具箱中进行设置后得各个隶属度函数的分布图；

S303，采用改进的量子微粒群算法来优化选取模糊控制算法中的量化因子参数，即ke、kec、kup、kui及kud 5个参数，其优化目标函数是使得模糊PID控制曲线超调量小，调节时间短，其数学表达式如下：

F_obj＝max[T′(t)-T(t),0]+t_s (4)

式中，T′(t)和T(t)分别表示t时刻模糊PID控制所得温度与控制目标温度，每个微粒更新的位置X_i所对应的目标函数值F_obj(X_i)，T′(t)-T(t)表示t时刻的超调量；t_s表示调节时间。因此，目标函数越小说明温度控制结果超调量越小，调节时间越短。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种飞机燃油系统自适应热管理控制装置，其特征在于，包括依次通过油路管道连接的输油箱、输油泵(P1)、供油箱、电动泵(P2)、阀门(X2)、散热泵(P3)、阀门(X3)、燃油-滑油换热器(HX3)、阀门(X5)和发动机，所述阀门(X3)与供油箱之间还通过油路管道依次连接燃油-液压换热器(HX2)、空气-燃油换热器(HX1)和阀门(X1)，所述阀门(X1)和阀门(X5)之间的油路管道上设置有阀门(X4)，所述阀门(X2)和阀门(X4)通过油路管道连接，所述空气-燃油换热器(HX1)接入冲压空气，所述燃油-液压换热器(HX2)接入液压热负荷(Q1)，所述燃油-滑油换热器(HX3)接入液压热负荷(Q2)。

2.根据权利要求1所述的飞机燃油系统自适应热管理控制装置，其特征在于，所述输油箱和输油泵( P1) 之间的油路管道上设置有阀门，所述供油箱和电动泵(P2)之间的油路管道上设置有阀门。

3.根据权利要求1所述的飞机燃油系统自适应热管理控制装置，其特征在于，所述阀门(X1)、阀门(X2)、阀门(X3)、阀门(X4)和阀门(X5)均为需要控制的控制阀门。

4.根据权利要求1-3任一所述的飞机燃油系统自适应热管理控制装置的控制方法，其特征在于，飞机燃油系统包括滑油子系统和液压子系统，所述滑油子系统包括燃油-滑油换热器(HX3)和滑油热负荷(Q2)，液压子系统包括燃油-液压换热器(HX3)和液压热负荷(Q1)，对应不同的飞行状态，经历起飞、爬升、返回的阶段，包括以下步骤：

S1、设置出需要控制的控制对象，控制量及执行机构，所述控制对象为换热器，换热器包括空气-燃油换热器(HX1)、燃油-液压换热器(HX2)、燃油-滑油换热器(HX3)，控制量为换热器的热边输入量，执行机构为控制阀门及散热泵(P3)和电动泵(P2)；

S2、设定换热器的热边温度的控制目标，控制换热器的冷边燃油流量；

S3、采用PID控制、模糊PID控制、改进的量子微粒群优化模糊PID控制分别对不同飞行状态下换热器的冷边燃油流量进行调控。

5.根据权利要求4所述的飞机燃油系统自适应热管理控制装置的控制方法，其特征在于，

所述步骤S1中，热管理通过阀门(X2)和阀门(X3)控制温度；

所述步骤S1中，燃油回路控制为协调换热器冷边冷却剂的需求量和发动机燃油量需求之间的关系，通过电动泵(P2)、阀门(X1)和阀门(X2)来控制，阀门(X4)和阀门(X5)控制燃油参混，控制进入发动机的燃油流量和温度，所述冷却剂为供油箱出口温度较低的燃油。

6.根据权利要求4所述的飞机燃油系统自适应热管理控制装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S2-S3中，换热器采用传递函数的方式建立数学模型，换热器的一阶滞后传递函数G(s)表示为：

其中：G(s)为换热器传递函数，e为自然常数，s表示G这个函数是原函数经过拉普拉斯变换后的表达式。

7.根据权利要求4所述的飞机燃油系统自适应热管理控制装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S2-S3中，电动泵为燃油的流动提供动力，散热泵为辅助泵为散热系统提供动力，电动泵和散热泵均为增压泵，两种增压泵的计算模型：

△P＝1.2×10⁵-3.5×10⁶Q-1.6×10⁹Q² (2)

式中：△P为增压泵的增压值，单位为Pa；Q为泵输出的高压燃油流量，单位为m³/s；式(2)是通过增压泵工作性能的曲线数值拟合所得。

8.根据权利要求4所述的飞机燃油系统自适应热管理控制装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S2-S3中，空气-燃油换热器(HX1)的冲压空气物性，飞行器在飞行高度和飞行Ma数确定的情况下，冲压空气进入空气-燃油换热器(HX1)时的截面气流温度T满足以下关系式：

T＝T₀[1+Ma²×(k-1)/2] (4)

其中，H表示飞机飞行的海拔高度，T₀表示海拔高度为H时的来流静温，Ma为飞行马赫数，k表示空气的绝热指数。

9.根据权利要求4所述的飞机燃油系统自适应热管理控制装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S301，设置为两输入、三输出的模糊控制器，在所述模糊控制器中，将偏差e和偏差变化ec作为输入变量，将三个参数K_p、K_i、K_d的ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d偏移量作为该控制器的输出变量，利用模糊规则在线对PID控制的三个参数K_p、K_i、K_d进行校正；

S302，以滑油换热器为例，将燃油-滑油换热器(HX3)的出口温度设定为60℃，检测出的出口滑油温度比设定高时，则表明热负荷增大，此时应该加大阀门(X2)及阀门(X3)开度，增加燃油流量，直到滑油出口温度达到设定值为止；

滑油的出口温度设为60℃，根据温度误差e变化论域为[-5，+5]，温度偏差变化率ec的变化论域取[-3，3]，输出变量ΔK_p的论域取为[-0.3，+0.3]，ΔK_i的论域取为[-0.06，+0.06]，ΔK_d的论域取为[-3，+3]；偏差变化量的模糊论域取为{-3，2.5，-2，-1.5，-1，-0.5，0，+0.5，+1，+1.5，+2，+2.5，+3}；另外的模糊变量的论域取为{-6，-5，-2，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}；对两个输入变量和三个输出变量均选取七个模糊子集：NB负大，NM负中，NS负小，ZE零，PS正小，PM正中，PB正大；

温度偏差及偏差的变化率的量化因子分别用Ke、Kc表示，控制量的比例因子分别用Kup、Kui、Kud表示，则有Ke＝6/5＝1.2，Kc＝3/3＝1，Kup＝0.3/6＝0.05，Kui＝0.06/6＝0.01，Kud ＝3/6＝0.5；设e、ec、ΔKp，ΔKi、ΔKd都是服从三角布的，便得到模糊子集相应的隶属度，在MATLAB模糊控制工具箱中进行设置后得各个隶属度函数的分布图；

S303，采用改进的量子微粒群算法来优化选取模糊控制算法中的量化因子参数，即ke、kec、kup、kui及kud 5个参数，其优化目标函数是使得模糊PID控制曲线超调量小，调节时间短，其数学表达式如下：

F_obj＝max[T′(t)-T(t),0]+t_s (4)

式中，T′(t)和T(t)分别表示t时刻模糊PID控制所得温度与控制目标温度，每个微粒更新的位置X_i所对应的目标函数值F_obj(X_i)，T′(t)-T(t)表示t时刻的超调量；t_s表示调节时间。

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